材料科学与工程导论及总结.docx

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材料科学与工程导论及总结

内容：

学习材料学的基本知识；主要涉及到各种材料的组成、结构、性能、应用以及它们之间的关系。

目的：

材料类专业的入门课及专业基础课之一。

了解材料的基本知识，逐步扩大材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料问题的初步能力。

1、材料的定义与分类

材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。

材料与物质的区别：

① 对材料而言，可采用“好”或“不好”等字眼加以评价，对物质则不能这样；

② 材料总是和一定的用途相的；

③ 材料可由一种物质或若干种物质构成；

④ 同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途各异的不同类型的材料。

按化学组成和结构特点：

金属材料 、无机非金属材料、高分子材料、 复合材料

按材料性能：

结构材料 、功能材料

按使用领域：

建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料……

2、材料的地位和作用

材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。

材料、能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。

纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。

材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，从而把人类物质文明推向前进。

人类文明的发展史就是材料的发展史

材料的发展史就是人类文明的发展史

石器时代、青铜器时代、铁器时代、•••、半导体时代

新材料是高技术发展的基础，是工业革命和产业发展的先导

3、材料的性质

材料性质：

是材料的功能特性和效应的描述，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。

材料性质描述：

力学性质：

强度、硬度、刚度、塑性、韧性

材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。

（1）弹性模量

弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应力与应变（即与应力相对应的单位变形量）的比值，用E表示，即：

（2）强度

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。

（有多种强度类型）

材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫屈服强度，用σs表示。

工程上规定，试样产生0.2%塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度，记为σ0.2。

抗拉强度是将试样在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。

弯曲强度是指采用简支粱法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。

压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象（对非脆性材料而言）时，原单位横截面积上所能承受的载荷。

（3）塑性

材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性，以材料断裂后的永久变形为衡量。

塑性指标有延伸率和断面收缩率：

σ与ψ越大，材料的塑性越好。

（4）硬度

硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。

工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。

（5）韧性

韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。

度量韧性的指标有两类。

一类是冲击韧性，用材料受冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性。

另一类是断裂韧性，用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值K1C来表征材料的韧性

（6）疲劳强度

疲劳强度指材料抵抗交变载荷的性能。

交变载荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。

在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。

当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。

3.2 电学性质

（1）导电性

材料导电性的量度为电阻率或电导率。

电阻R与导体的长度l成正比，与导体的截面积S成反比，即：

般来说，金属材料及部分陶瓷材料和部分高分子材料是导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材料是绝缘体。

（2）介电常数

当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的电荷 Q0与施加电压V成正比

比例系数C0就是电容。

如果两板间放入绝缘材料，在相同电压下，电荷增加了Q1，

则Q＝ Q0＋ Q1＝CV

电介质引起电容量增加的比例，称为相对介电常数ε

3.3 热学性能

热容：

1mol固体温度升高1K时所吸收的热量J/（mol·K）

热导率：

单位时间内在1K温差的1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位J/（cm·s·K）。

热膨胀系数：

单位长度物体的长度随温度的变化率，单位K-1 。

使用性能（效能）：

是指材料在某种环境或条件作用下，最终使用状态（产品或元件）下表现出的行为。

所以，性质是材料本身特征的体现；使用性能则是包括材料在内的整个系统特征的体现。

材料的应用要考虑以下几个因素：

一、材料的使用性能

二、使用寿命及可靠性

三、环境适应性（包括生产过程与使用期间）

四、价格

4、材料学的形成和发展

4.2 材料科学的提出与建立

材料科学是在金属学、陶瓷学、高分子科学的基础上，结合物理、化学发展起来的。

不同材料尽管各有特点，但它们之间却有相通的原理、共性和相似的研究、生产方法。

材料科学：

是有关材料成分、结构与工艺对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用。

可以说，材料科学是一种近年来形成的交叉学科和应用科学，与工程技术的较为密切，所以人们往往把材料科学与工程在一起，称之为“材料科学与工程”。

近年来，又称为“材料科学技术”。

材料工程是指运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。

4.3 材料科学的内容

材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。

4.4 材料科学的任务

材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。

它的根本任务是揭示材料成分、结构与性质的内在关系，设计、合成并制备出具有优良使用性能的材料，以满足工农业生产、国防建设和现代科学技术发展对材料日益增长的需要。

新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响

纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一。

电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。

新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）。

新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）。

作业

1. 名词解释：

材料 材料科学

2. 材料科学的内容及任务

3. 举例说明材料在人类文明进程中的作用

第二章无机非金属材料

1、无机非金属材料概论

无机非金属材料：

主要是指由一种或多种金属元素同一种非金属元素（如O,S,C,N等,通常为O）所形成的化合物，多为金属氧化物和金属非氧化物。

也可以认为 金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称无机非金属材料。

无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。

包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。

其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩大。

最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。

通常把它们分为传统（普通）无机非金属材料和新型（特种）无机非金属材料两大类。

主要特性：

熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。

一般为脆性材料

2、陶瓷材料（普通陶瓷、特种陶瓷）

2.1 陶瓷的概念

陶瓷（ceramics）是以非金属矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、烧成等工序制成的产品。

2.2 陶瓷的分类

早期，陶瓷是陶器与瓷器的总称。

瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，通常施釉，敲之声音清脆。

陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲之声音粗哑，有的无釉，有的施釉。

传统的陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土类及其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧成等过程而得的器皿。

这类陶瓷可称为传统（普通）陶瓷。

随着生产和科学技术的发展，对陶瓷制品的性能与应用提出了新的要求，因而制成了许多新品种，它们的生产过程虽然还是原料处理、成型、烧成等这种传统的方式，但采用的原料已扩大到高度精选的天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生产工艺，因而往往具有一些特殊的性能，相对于传统陶瓷，这类陶瓷制品称为新型（特种）陶瓷。

陶瓷材料的化学键

陶瓷材料是以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）以及离子共价混合键（ SiO2）结合在一起。

金属氧化物主要是离子键结合。

由于离子键没有方向性，只要求正负离子相间排列并尽量紧密堆积，因而离子晶体的密度较高，键强度也较高。

这类材料强度高、硬度高，但脆性大。

离子晶体固态绝缘，熔融后可导电。

共价键具有方向性与饱和性，这就决定了共价晶体中原子的堆积密度较小。

共价晶体键强度较高，且具有稳定的结构，故这类材料熔点高、硬度高、脆性大，热膨胀系数小。

虽然陶瓷材料的键性主要为离子键和共价键，但实际上许多陶瓷的结合键是混合键结合，既有离子性，又有共价性。

陶瓷材料的显微结构

陶瓷材料的显微结构通常由三种不同的相组成，晶相、玻璃相和气相。

晶相：

陶瓷材料中最主要的组成相，晶相一般由原料带入或玻璃相析晶而成。

晶相分为主晶相和次晶相。

主晶相是构成材料的主体，其性质、数量及结合状态，直接决定材料的基本性质。

玻璃相：

是一种低熔点的非晶态固体，是材料在高温烧成过程中，由于化学反应或熔融冷却形成的。

通常，其机械强度要比晶相低一些，抗冲击强度要高一些，在较低温度下开始软化。

玻璃相的作用，① 充填晶粒间隙，粘结晶粒，提高陶瓷材料的致密程度；② 降低烧成温度，改善工艺；③ 抑制晶粒长大

气相（气孔）：

大部分气孔是在工艺过程中形成并保留下来的，有的气孔则通过特殊的工艺方法获得。

气孔含量在0～90％之间变化，陶瓷的许多电性能和热性能都随气孔率、气孔尺寸及分布的不同在很大范围内变化。

2.4.1 机械性能

（1）弹性模量

陶瓷材料具有牢固的离子键和共价键，其弹性模量比金属材料的弹性模量大得多，大约在103～104MPa之间甚至更高。

陶瓷材料的弹性模量除了与结合键有关外，还与组成相的种类、分布、比例及气孔率的大小有关。

（2）强度

①陶瓷材料在理论上具有很高的断裂强度，但实际断裂强度往往比金属材料低得多。

②抗压强度比抗拉强度大得多，其差别程度大大超过金属。

③气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有很大影响。

④陶瓷材料耐热冲击性较差，严重限制了陶瓷材料在急冷急热条件下的使用。

⑤晶粒愈小，强度愈高。

（3）塑性与韧性

陶瓷材料最突出的弱点是很低的塑性与韧性。

只有极少数具有简单晶体结构的陶瓷材料在室温下具有塑性。

如MgO、KCl、KBr等。

一般的陶瓷材料在室温下塑性为零。

这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂，滑移系统少，位错生成能高，而且位错的可动性差，通常呈现典型的脆性断裂。

（4）硬度

陶瓷、矿物材料常用莫氏硬度和维氏硬度来衡量材料抵抗破坏的能力。

莫氏硬度是以陶瓷、矿物之间相互刻划能否产生划痕来确定，只能表示材料硬度的相对大小。

一般陶瓷的硬度较大。

2.4.2 热性能

（1）热容

陶瓷材料的摩尔热容对结构变化不敏感，但单位体积的热容却与气孔率有关，由于多孔材料质量轻，所以单位体积热容小。

因此，多孔轻质耐火砖的温度上升所需的热量远低于致密的耐火砖。

（2）热膨胀